1.Q: Tỷ lệ sức mạnh trên trọng lượng của Aluminum so với thép như thế nào?
Trả lời: Nhôm có tỷ lệ sức mạnh trên trọng lượng tốt hơn đáng kể so với thép. Trong khi thép cấu trúc điển hình có độ bền kéo của 400-500 MPA, các hợp kim nhôm từ 200-400 mPa. Tuy nhiên, nhôm có mật độ thép khoảng một phần ba (2,7 g\/cm³ so với 7,85 g\/cm³). Điều này có nghĩa là đối với các ứng dụng mà trọng lượng quan trọng (hàng không vũ trụ, ô tô), nhôm có thể cung cấp hiệu suất cấu trúc tương đương với gần một nửa trọng lượng. Các hợp kim nhôm 7000- tiếp cận sức mạnh của một số thép trong khi vẫn duy trì lợi thế trọng lượng này.
2.Q: Điều gì làm cho thép thường mạnh hơn nhôm trong các ứng dụng xây dựng?
Trả lời: Cấu trúc tinh thể của thép và hàm lượng carbon cao hơn mang lại lợi thế về sức mạnh cơ bản. Thép kết cấu thường có cường độ năng suất giữa 250-350 MPa, trong khi các hợp kim nhôm cấu trúc phổ biến (như 6061) có cường độ năng suất khoảng 240 MPa. Thép cũng có độ cứng vượt trội (mô đun độ đàn hồi 200 GPa so với GPA 69 của Aluminum), có nghĩa là nó lệch ít hơn khi tải. Ngoài ra, cường độ mệt mỏi của thép là khoảng một nửa cường độ kéo, trong khi nhôm chỉ khoảng một phần ba, làm cho thép tốt hơn cho các tình huống tải theo chu kỳ phổ biến trong xây dựng.
3.Q: Nhôm có thể mạnh hơn thép không?
A: Trong các ứng dụng chuyên dụng nhất định, có. Một số hợp kim nhôm hiệu suất cao (như 7075- T6) đạt được cường độ kéo trên 570 MPa, vượt qua một số thép nhẹ. Sức mạnh của nhôm cũng có thể được tăng cường thông qua hợp kim (thêm kẽm, magiê, đồng) và các quá trình ủ. Tuy nhiên, thép cực cao (như thép Maraging) có thể vượt quá 2000 MPa. Lợi thế chính không phải là sức mạnh tuyệt đối mà là sức mạnh cụ thể - trong đó các hợp kim nhôm tiên tiến vượt trội so với nhiều thép khi cân nặng được xem xét. Trong hàng không vũ trụ, hợp kim nhôm-lithium cung cấp sức mạnh giống như thép với mức tiết kiệm trọng lượng 50%.
4.Q: Nhiệt độ ảnh hưởng đến sự so sánh cường độ giữa nhôm và thép như thế nào?
Trả lời: Thép thường duy trì sức mạnh của nó tốt hơn ở nhiệt độ cao. Trong khi cả hai vật liệu đều suy yếu khi được làm nóng, nhôm mất cường độ nhanh chóng trên 150 độ (300 độ F), với mô đun đàn hồi giảm gần 50% ở 300 độ. Kết cấu thép giữ lại khoảng 50% cường độ ở 600 độ. Ngược lại, nhôm trở nên mạnh hơn ở nhiệt độ đông lạnh (hữu ích cho các ứng dụng không gian), trong khi một số thép trở nên giòn. Khả năng chống cháy là một lý do chính khiến thép thống trị các ứng dụng nhiệt độ cao mặc dù có lợi thế trọng lượng của nhôm.
5.Hỏi: Sự đánh đổi khi chọn giữa nhôm và thép cho sức mạnh cấu trúc là gì?
A: Sự lựa chọn liên quan đến nhiều yếu tố:
Cân nặng: Nhôm chiến thắng cho các thiết kế nhạy cảm với trọng lượng
Sức mạnh tuyệt đối: Thép thường cung cấp công suất tải cao hơn
Ăn mòn: Nhôm tạo thành một lớp oxit bảo vệ; Thép đòi hỏi lớp phủ
Trị giá: Thép thường rẻ hơn trên mỗi đơn vị sức mạnh
Sự chế tạo: Nhôm dễ máy hơn nhưng khó hàn hơn
Mệt mỏi: Thép hoạt động tốt hơn trong tải theo chu kỳ
Nhiệt độ: Thép cho nhiệt độ cao, nhôm cho chất lạnh
Kỹ thuật hiện đại thường sử dụng cả chiến lược - nhôm trong đó tiết kiệm trọng lượng biện minh cho chi phí (giao diện máy bay, tấm ô tô), thép nơi sức mạnh tối đa hoặc khả năng chống cháy là rất quan trọng (xây dựng khung, đường ống). Các kỹ thuật tham gia nâng cao hiện cho phép các cấu trúc thép nhôm lai tối ưu hóa cả sức mạnh của cả hai vật liệu.
